气吹悬浮供种的气吸滚筒式排种器设计与实验

赵永满，侯晓晓，姜有忠，刘永锋，胡 斌，罗 昕

( 1.石河子大学 a.机械电气工程学院；b.新疆建设兵团农业机械重点实验室，新疆 石河子 832003；2.黄河交通学院 汽车工程学院，河南 焦作 454950)

0 引言

辣椒是新疆的特色经济作物，市场前景好，近几年种植面积不断增加[1]。穴盘育苗过程是移栽种植模式的关键环节之一，穴盘育苗排种器是育苗过程的关键部件，但辣椒种子存在外形不规整、流动性差、尺寸小及分离效果不佳等问题[1]。新疆育苗播种主要靠人工点播，劳动强度大，效率低，成本高，目前还没有满足“一穴一粒”辣椒穴盘育苗精量排种器。因此，迫切需要设计一种实现“一穴一粒”精量播种要求的排种器。

目前，气力式排种器因具有种子适应性强、生产效率高、不易伤种等优点，在农作物精量播种中广泛应用[2]。国内，李耀明、陈进等[3]以油菜、水稻等作物种子为研究对象，确定了振动气吸式排种器的核心部件结构和工作参数，研究分析了振动种盘内种子的运动机理，以及吸孔形状、孔径、导程对吸种效果的影响。王朝晖、袁月明、马旭等[4]以超级稻为播种对象，通过三维建模与仿真、高速摄像观察等方法对气吸滚筒式排种器气室流场、投种过程及种层振动规律等排种性能影响规律进行了研究。上述气力式排种器大都采用振动供种，不能满足小颗粒、不规整的番茄(非丸粒化种子)种子“一穴一粒”的育苗播种要求。

由于辣椒种子破损将影响出苗率，且种子尺寸小、外形不规整、流动性差，种植要求又属于精量播种，针对现有气吸滚筒式排种器存在的取种难、吸种孔容易堵塞、投种精度差等主要技术问题，提出了由负压取种、正压气吹供种和投种的新方案，并设计了一种适合辣椒育苗播种的气吹悬浮供种的气吸滚筒式排种器。同时，以种箱气室正压力、滚筒转速、吸种角度为影响因素，对排种器排种性能进行试验分析，寻找上述因素最优参参数组合，为辣椒等小粒种子育苗排种器的设计提供参考。

1 排种器的结构与工作原理

气吹悬浮供种的气吸滚筒式精量排种器由气吹式种箱、排种滚筒、正负压空心轴、旋涡气泵、正压供气管、负压供气管及传动链轮等组成，如图1所示。

1.正压空心轴 2.关卡 3.滚筒 4.O型密封圈 5.吸种孔 6.定位凸台 7.密封垫圈 8.链轮螺栓 9.铁箍 10.负压空心轴 11.滚筒支架 12.链轮 13.绝压分隔装置 14.快速接头 15.塑料管 16.挂件 17.橡胶条 18.种箱支架 19.种箱气室 20.供种箱

滚筒内部有空心轴和绝压分隔装置，绝压分隔装置将滚筒内部空间分成正压区域和负压区域。排种器工作时，电机通过变频器调节带动滚筒顺时针转动；旋涡气泵的正压供气管与滚筒正压空心轴和种箱气室链接，负压供气管与滚筒负压空心轴连接；正压供气管往绝压分隔装置和种箱气室中输入正压气体，种箱供种板两疏种墙之间开有小于种子的吹孔，供种板上的种子在正压气流吹动作用下悬浮跳动至滚筒附近；滚筒表面上开有锥形通孔，负压供气管通过负压空心轴往滚筒内部通入负压气体；正压供气管通过正压空心轴往绝压分隔装置内部通入正压气体，当滚筒转动到种箱出料口附近时，滚筒吸孔附近的种子在滚筒负压腔内部负压的吸力作用下吸附在滚筒吸孔上，并随着滚筒一起转动；当转动经过种箱上方的毛刷时，将吸孔附近不稳定的种子以清理种箱；当吸孔转动到绝压分隔装置下方时，种子失去滚筒内部负压吸附力的作用，种子在自身重力和绝压分隔装置内部正压气流的作用下掉落，完成整个投种过程。

2 排种器关键部件的设计

2.1 滚筒正负压腔的设计

正负压腔是排种滚筒实现精量取种和精准投种的关键部件[5]，其结构设计直接影响滚筒吸种性能和投种精度。此内腔是两段空心轴，通过挂件与绝压分隔装置焊接成为一体结构。挂件与绝压分隔装置和空心轴垂直连接，且两段空心轴的中心线和绝压分隔装置的横向中心线在同一平面内。连接正压气体空心轴的滚筒内端密封并开有连接快速接头的小孔，绝压分隔装置上部中心位置开有连接快速接头小孔，通过快速接头和塑料管往绝压分隔装置中输送正压气体，绝压分隔装置下部连接橡胶条与滚筒内表面密封链接。此设计使得滚筒内部负压流场更加均匀，并保证了滚筒运转的稳定性，如图2所示。

1.负压空心轴 2.挂件 3.绝压分隔装置 4.塑料管 5.快速接头 6.正压空心轴

目前，国内外气吸滚筒式排种器的滚筒直径多为140～260mm[6]，经过前期的试验研究确定滚筒直径为180mm。在此内腔结构下采用CFD模拟滚筒内部流场情况，模拟过程采用k-ε模型，设定边界为恒压力条件，选取滚筒上吸孔为压力进口，负压空心轴截面为压力出口，壁面采用无滑移壁面条件(ui=0)。滚筒内部压力和流场速度云图如图3所示。

图3 滚筒内部压力和流场速度云图

2.2 吸种孔的设计

2.2.1 辣椒种子几何特性

选取新疆种植最为广泛的辣椒品种新选 8819 线辣椒种子为研究对象[7]，应用精度为 0.01mm 的SF-2000 型电子显示游标卡尺，对在辣椒种子样品中随意抽取的100粒种子进行三轴方向的大小测量，平均结果如表 1 所示。

表1 辣椒种子平均三轴尺寸

2.2.2 滚筒吸孔与吸孔位置的设计

吸种孔直径大小对排种器充种性能影响较大[8]。参考吸种孔d经验公式，即

d=(0.6～0.7)B

(1)

其中，d为吸孔直径；B为种子平均短径。由上述可知：辣椒种子的平均短径为3.08mm，从式(1)中可以得出吸孔直径的数值范围为1.85～2.16mm。所以，本吸孔直径设计为2.0mm。

由于本设计为穴盘育苗排种器，目前最常使用的穴盘为PS材料的128孔16×8标准穴盘，其穴盘尺寸为532mm×278mm×44mm，穴盘两锥孔中心距为32mm。由于滚筒长度、轴向吸孔数、周向吸孔排数会影响排种器性能和稳定性，综合考虑，滚筒长度设计为310mm，轴向吸孔的数量为8个，滚筒周向排数设计16排。

2.3 种箱的设计

种箱由供种箱和种箱气室组成，种箱的出料口上部设有与滚筒表面弧形相对应的弧凹槽，弧凹槽套在滚筒的圆周上，与滚筒通过种箱支架成一定角度安装在机架上。考虑到与滚筒设计相对应，滚筒长310mm，滚筒两侧吸种孔中心距离为224mm，所以种箱宽度设计为280mm。

供种板出料口处设计有疏种墙，疏种墙之间的供种板上开有整齐排列的吹孔，其直径为2.0mm。种箱设计有8个出料口，每个出料口之间的中心距为32mm，与滚筒吸孔之间的中心距相同。工作时，种箱气室通入正压气体，在供种板吹孔气流的作用下使种子悬浮出料口附近。滚筒吸孔转动至种箱出料口处，滚筒吸孔在压差作用下将种子吸附在滚筒吸孔中，实现吸种过程，结构如图4所示。

1.种箱气室 2.种箱隔板 3.供种板吹孔 4.疏种墙

2.4 吸种区吸种压差及吸种角度

滚筒吸种分为两个过程：一是种子在种箱分离板作用下向下滑动至滚筒附近，在气流作用下悬浮，没有与滚筒接触；二是滚筒内部负压的作用下吸附在滚筒吸孔上，并随滚筒一起转动。第2过程种子吸附运动和受力如图5所示[9]。

分析表明：种子在吸附过程中要受到种群间的挤压力和摩檫力，还有自身的重力。对第2过程种子吸附进行力学分析，则

(2)

(3)

(4)

其中，FNX为被吸附种子在X轴方向的合力(N)；FNY为被吸附种子在Y轴方向的合力(N)；Fqz为被吸附种子受到种群的支持力(N)；Fgz为被吸附种子受到滚筒的支持力(N)；Fgm为被吸附种子受到滚筒的摩檫力(N)；Fqm为被吸附种子受到种群的摩檫力(N)；G为被吸附种子自身重力(N)；FN为被吸附种子所受吸附力(N)；FNQ2为被吸附种子在第二阶段所受吸附力(N)；m为被吸附种子的质量(kg)；w为滚筒转速(rad/s);R为滚筒半径(m)；α为Fqz与水平方向的夹角(°)；β为吸种角(°)；φm为番茄种子于滚筒之间的滑动摩擦角26(°)；φq为番茄种子的自然休止角φq=41(°)。

图5 种子吸附阶段受力分析

种子的吸附力由滚筒内外压差产生，则

(5)

其中，FNQ为被吸附种子所受吸附力(N)；ΔPN滚筒内部负压值(Pa)；ε为滚筒内部流场比例系数，ε=0.65。

要使种子被成功吸附，吸附力FNQ要大于种子在第2阶段的吸附力FNQ2。由式(2)～式(7)得出被吸附种子需要吸附力的最小值，即当FNQ与FNQ2相等时为最小值，则

[Fqz·cos(φq+φm-α-β)+

m·g·cosφq·sin(β-φm)]/(cosφq·cosφt)

(6)

其中，FNQmin为最小吸附力。

当α=90°时，被吸附种子自身重力与所受种群支持力相等，则

(7)

由式(7)可知：滚筒吸种的成功与否与滚筒转速、滚筒内部负压、种箱角度、种子物料特性有关。结合前期大量实验结果，本文选择种箱角度范围为10～40°，吸种负压为1～4kPa。

3 排种器排种性能试验

3.1 试验准备

试验所用种子为新疆最为广泛的辣椒品种8819线辣椒种子，种子颗粒群的纯度为>97%、净度为>98%、发芽率>85%、水分<8%。[10]。试验在石河子大学机械电气工程学院兵团农业重点实验室进行，采用课题组研制的气吹供种气吸滚筒式播种机实验样机进行试验。试验台配置有上海生产的型号为CHRH-440DEE的调频器，上海生产的型号为YCT132-4B高速相机，广州生产的型号为GLB1500S的涡旋气泵，青岛生产的型号为MS-130ST-M10015的电机，上海伊莱克生产的型号为YE-60(0-10kp)的微压表。试验台结构示意图如图6所示。

1.电机 2.调频器 3.输送带 4.种箱 5.供种板 6.吸种孔 7.吸种滚筒 8.滚筒机架 9.穴盘 10.机架 11.旋涡气泵 12.正压供气管 13.负压供气管

3.2 试验方法

以GB/T6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》及排种器排种性能试验为目标，选用单粒率、多粒率、漏播率作为判定排种器排种性能指标[11]，选取滚筒转速、吸种角度、种箱气室正压值为主要试验因素。在试验过程中，通过种箱支架调节吸种角度，涡旋气泵管道上阀门调节种箱正压值，调频器调节滚筒的转速，每组试验重复3次取平均值，最后利用高速摄像机对滚筒吸种结果进行统计分析。

3.3 试验及结果分析

3.3.1 正交组合试验

通过前期试验分析，确定滚筒转速的取值范围为10～16 r/min，种箱气室正压值的范围为1～4kPa，吸种角度范围10°～40°。为明确上述3个因素对排种性能的影响，选择三因素四水平的正交组合实验方法[12-13]，因素和水平如表2所示，试验方案与结果如表3所示。

表2 因素水平表

表3 试验结果

3.3.2 结果分析

1)由表3试验结果分析可知：试验数据统计相差不大，证明所设计的气吹悬浮供种的气吸滚筒式排种器工作性能稳定。

2)由表3可知：当吸种角度为20°、种箱气室正压值为2kPa、滚筒转速为12r/min时，单粒率91.5%，多粒率5.4%，漏播率3.2%，其效果最佳。

4 结论

1)设计了一种气吹悬浮供种的气吸式排种器，确定了气吹供种和滚筒排种的工作原理、主要结构与性能参数。

2)采用三因素四水平正交试验得出最佳参数范围如下：在吸种角度为20°，种箱气室正压值为2kPa、滚筒转速为12r/min时，可获得单粒率91.5%、多粒率5.4%、漏播率3.2%的结果。分析表明：影响排种器性能因素的主次顺序为种箱气室正压力、滚筒转速、吸种角度。